Kabel & Leitungen Keine Angst vor Feuer

Fiberoptikkabel tragen im Brandfall nicht nur mengenmäßig zur Brandlast bei. Sie erfüllen je nach Einsatzzweck Aufgaben, von denen Menschenleben abhängen können. Diesen Anforderungen muss man von der...

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Fiberoptikkabel tragen im Brandfall nicht nur mengenmäßig zur Brandlast bei. Sie erfüllen je nach Einsatzzweck Aufgaben, von denen Menschenleben abhängen können. Diesen Anforderungen muss man von der konstruktiven wie auch der materialtechnischen Seite her gerecht werden. Bei uns lesen sie, wie sich die Lösungen materialtechnisch unterscheiden.

Die gängigen Flammschutzmittel für Kabel werden in halogenhaltige und anorganische Flammschutzmittel, Nanofüllstoffe sowie expandierbarer Graphit unterteilt. Halogenhaltige Flammschutzmittel beeinflussen die chemische Reaktion. Sie fangen die reaktiven Moleküle, die den Brandverlauf weitertragen (H+, OH-), ab und inaktivieren sie. Diese Eigenschaft besitzen Elemente der Gruppe der Halogene – Chlor, Brom und Fluor. Kunststofftypen, die Halogene enthalten (intrinsisches Brandschutzmittel), sind flammhemmend bei Brandtests mit schwächeren Anforderungen. Sollen höhere Brandanforderungen erfüllt werden, müssen diese Kunststoffe mit zusätzlichen Flammschutzadditiven versehen werden.Anderen Kunststoffen kann man halogenhaltige Flammschutzmittel beimischen. Brom hat im Vergleich zu Chlor eine fast doppelt so hohe flammhemmende Wirkung.

Die eingesetzten Halogene sind seit geraumer Zeit nicht nur wegen ihres humantoxischen Aspekts unbeliebt, sondern auch wegen der Bildung von Säure und anderer halogenhaltiger Giftstoffe. Sie erfordern eine professionelle Reinigung und Entsorgung. Bromierte Flammschutzmittel sind persistente, organische Schadstoffe mit kanzerogenem und östrogen aktivem Potential. Bei chlorierten Paraffinen wurden erste Einschränkungen für die Verwendung ausgesprochen. Weitere Vertreter sind chlorierte Cyclopenta- und -octadiene. Halogenhaltige Flammschutzmittel beeinflussen die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften der Kunststoffe wenig. Zu den anorganischen Flammschutzmitteln gehören Hydroxide von Aluminium und Magnesium sowie Phosphor-, Zink- und Antimonverbindungen. Hydroxide werden in Ersatzprodukten für PVC-Kabel verwendet.

Der hohe Füllgrad, der für eine ausreichend flammhemmende Wirkung zwingend ist, beeinträchtigt die Verarbeitbarkeit und mechanischen Eigenschaften. Diese Kabel sind nicht geeignet für einen mobilen Einsatz.Die Medienbeständigkeit (z.B. Quellen bei Wasserlagerung) kann sich stark verändern. Eine Vorbehandlung (z.B. Beschichtung) ist notwendig, da sich die Polymermatrix und die Hydroxide aufgrund der Oberflächeneigenschaften schlecht vermischen. Hydroxide setzen chemisch gebundenes Wasser in Form von Wasserdampf frei, was einerseits den Brandherd durch die Energie aufnehmende Reaktion abkühlt, andererseits durch die gebildete Wasserdampfatmosphäre die Zufuhr von Sauerstoff unterbindet. Dieser Effekt wird durch die Bildung einer harten Ascheschicht unterstützt, die durch Isolieren das thermische Feedback abschwächt. Es bildet sich einer weiße, brüchige Kruste aus.

Je feinteiliger ein Hydroxid vorliegt, desto schneller wird im Brandfall der Wasserdampf abgespalten und freigesetzt. Aluminium- und Magnesiumhydroxid unterscheiden sich im Temperaturverhalten. Aluminiumhydroxid wird bei ca. 200 °C aktiviert. Wenn eine höhere Temperaturstabilität gefordert ist (z.B. beim Verarbeitungsprozess), findet Magnesiumhydroxid Verwendung, das bis über 300°C stabil bleibt. Da Hydroxide die Rauchbildung reduzieren, werden teilweise PVC-Mantelmaterialien mit (primär) Aluminiumhydroxid als Flammschutzmittel angeboten.Phosphor wird in Kabelmaterialien und Kunststoffteilen der Elektrotechnik verwendet. Teilweise enthalten die Phosphorverbindungen Chlor (TCEP, TCPP, TDCP), sind also halogenhaltig. Aufgrund der teilweise schon nachgewiesenen Reproduktionstoxizität sind hier Einschränkungen absehbar.

Bei Phosphor in Form von halogenfreien Verbindungen wie TPP und TCP werden keine bis geringe Bedenken angemeldet. Phosphor setzt man auch in reiner Form (roter Phosphor) als Flammschutzmittel ein. Die Wirkungsweise von Phosphor beruht einerseits auf dem Mechanismus eines Radikalfängers, der die Reaktionskette unterbricht, andererseits bildet er durch Polymerisation eine Ascheschicht, welche die Zufuhr von Sauerstoff unterbindet. In Kabeln findet man Phosphor primär in Form von halogenfreien Alkylphosphaten. Vor allem den halogenfreien Varianten werden Wachstumschancen bescheinigt.

Synergisten und Kombinatoren

Flammschutzmittel auf Basis von Zinkborat lassen sich für transparente Kunststoffe einsetzen, ohne dass diese ihre optischen Eigenschaften ändern. Es existieren Bedenken zur Umweltverträglichkeit. Diese Mittel reduzieren die Rauchbildung, daneben wirken sie verkohlungsfördernd, indem sie die Bildung einer glasartigen Ascheschicht unterstützen. Je nach Art der Zinkverbindung kann man sie als Synergist mit halogenhaltigen bzw. mit halogenfreien Flammschutzmitteln einsetzen. Antimontrioxid (ATO) wird normalerweise mit einem halogenhaltigen Mittel kombiniert. In PVC ist diese Kombination bereits gegeben. Nachteilig wirkt sich eine von der Menge abhängige verstärkte Rauchbildung aus. Expandierbarer Graphit hat sich trotz der Marktverfügbarkeit dieses Flammschutzmittels für Kabelanwendungen noch nicht durchgesetzt. Ein Grund liegt in der schwarzen Eigenfarbe. Die Funktion basiert auf Intumeszenz: Im Graphit eingelagerte Stoffe, die unter Wärmeeinwirkung gasförmige Moleküle abspalten und expandieren, bilden eine geschäumte Sperrschicht mit einer ähnlichen Wirkung wie bei den Metallhydroxiden.

Neue Gruppe von Flammschutzmitteln

Zu Nanofüllstoffen als neue Gruppe von Flammschutzmitteln gehören verschiedene Substanzen, deren Partikelgröße im nm-Bereich liegt. Sie bilden ebenfalls eine Ascheschicht. Durch die speziellen physikalischen Effekte, die bei dieser Teilegröße des Additives wirksam werden, kann eine sehr gute Flammschutzwirkung schon bei sehr geringen Beigabemengen erreicht werden. Dadurch sind die Verarbeitungs- und Materialeigenschaften der flammgeschützten Kabelmaterialien näher beim ursprünglichen Polymer. Die mechanischen Eigenschaften werden negativ beeinflusst. In Zukunft müssen Standardkunststoffe für Kabelummantelungen zu tragbaren Kosten mit Flammschutzmaterialien ausgerüstet werden, ohne dass sich die mechanischen Eigenschaften verschlechtern. Bestrebungen in Richtung Nanofüllstoffe scheinen hier aussichtsreich zu sein.

Wohin gehen die Entwicklungen bei aktuellen Flammschutzmitteln?

Weiterentwicklungen basierend auf Metallhydroxiden werden es ermöglichen, mit geringeren Füllmengen die Flammschutzeigenschaften zu halten. Aluminiumhydroxid bleibt das mengenmäßig stärkste Flammschutzmittel für Kabelummantelungen. Der Anteil von Magnesiumhydroxid wird aufgrund der besseren Temperaturbeständigkeit steigen. Das derzeit starke Wachstum der bromierten Systeme wird wie bei den Halogenen durch Umweltbedenken gebremst.Phosphor besitzt durch die geringe Rauchbildung und nichtkorrosive Rauchgase nach den Metallhydroxiden eine starke Stellung.

Andere Flammschutzsysteme platziert man als Teilsysteme mit synergistischer Wirkung als Nischenprodukte. Die EU arbeitet an einer Neuklassierung und -einordnung von Kabeln hinsichtlich des Brandverhaltens. Bestehende Brandtests sollen modifiziert bzw. neu definiert werden. Neben der Wärme- und Rauchentwicklung wird deren Verlauf während des Brandes berücksichtigt. Hieraus können neue Anforderungen an Flammschutzmittel resultieren. Gegenstand von Diskussionen ist die Klassierung von Kabeln für bestimmte Einsatzzwecke. Hier muss der Anwender beobachten, welche Änderungen rechtsgültig werden.

Adrian Peterhans

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